Das Bistum entstand 1981 durch die Vereinigung des Bistums Velletri mit dem Bistum Segni, zunächst noch unter dem Namen „Velletri und Segni“, ab 1986 unter dem heutigen Namen Velletri-Segni. Die beiden ursprünglichen Bistümer wurden im 5. Jahrhundert in der näheren Umgebung von Rom gegründet. Velletri war von 1150 bis 1914 mit dem Bistum Ostia vereint.
